Le terme « chaos ondulatoire » désigne l'étude du comportement des ondes dans des sys- tèmes fermés dont la limite géométrique des rayons exhibe une dynamique chaotique. Cette dernière est révélée notamment par l'extrême instabilité de trajectoires que sont les orbites pé- riodiques. Comment les ondes se comportent-elles dans un système dont la limite géométrique suit une dynamique chaotique ? Dans certaines conditions particulières, elles peuvent figer le développement de la dynamique chaotique et concentrer leur énergie le long d'orbites pério- diques instables, donnant lieu à l'existence de modes singuliers, les « Scars », présentant des surintensités localisées le long de ces trajectoires. Le travail présenté dans cette thèse résulte d'une volonté de contrôler activement les modes d'un système chaotique, dans le but de faire émerger expérimentalement les modes scar. Nous introduisons un milieu à gain dans une fibre optique multimode à section transverse chaotique, système privilégié pour l'étude du chaos ondulatoire. La localisation spatiale de ce gain nous permet de contrôler l'émergence d'une fa- mille de « scars » en les amplifiant sélectivement. Nous présentons des simulations numériques validant le processus physique d'amplification, suivies d'une étude expérimentale démontrant l'amplification sélective de modes « scar » dans une fibre optique multimode.

Le marché croissant des télécommunications est demandeur de circuits à la fois très performants (vitesse de commutation, haut débit, etc.) mais aussi à faible consommation, surtout dans le cas de systèmes portables. Le SOI-CMOS a déjà démontré son potentiel pour réduire la consommation à même vitesse de commutation par rapport au CMOS sur matériau silicium massif, à condition que le film de SOI soit suffisamment mince (inférieur ou égal à la profondeur de jonction source/drain). Plus récemment, la caractérisation de fonctions RF dans ce type de technologie a montré que le SOI pouvait être un bon candidat pour mixer des fonctions RF et digitales. Cependant, ce type d'intégrations dites « System On Chip » ne peut être complet sans une intégration des fonctions de puissances associées. La faisabilité d'intégrer en technologie CMOS sur SOI mince (< 0.1¼m) des composants haute tension (BVds de l'ordre de 15V) de type LDMOS, leur conception et les performances sont étudiées dans cette thèse. Dans un premier temps, les différentes technologies de puissance sur silicium sont présentées, en particulier les différentes applications visées, les types de composants existants et enfin le problème central de l'introduction d'une haute tension dans un circuit : l'isolation entre blocs. Ensuite, en plus des avantages que présente une technologie SOI, l'intérêt du SOI pour des applications de puissance est démontrée. Dans les deux dernières parties, la conception des transistors haute tension sur SOI fin est expliquée. Les aspects de caractérisations statiques et dynamiques, de fiabilité, de comportement thermique et énergétique sont abordés ; ce qui permet de conclure qu'une telle solution technologique est tout à fait industrialisable et permet d'atteindre l'état de l'art actuel.

Le développement des réseaux d'accès multi-longueur d'onde à 10 Gb/s fait apparaître un besoin pour des composants achromatiques bas-coûts. L'utilisation d'un modulateur électro-absorbant intégré avec un amplificateur optique à semiconducteurs est une solution qui permet de répondre à la fois aux critères de débits, gain d'insertion, achromacité, athermalité et insensibilité à la polarisation. Le modulateur amplifié fonctionne dans un schéma réflectif et ne nécessite donc qu'une seule fibre optique.<br>L'épitaxie sélective en phase vapeur est utilisée afin d'intégrer monolithiquement le modulateur et l'amplificateur. La technique permet une variation spatiale et locale des épaisseurs des couches épitaxiéees au voisinage d'un masque diélectrique sélectif. Le<br>matériau définissant la zone active consiste en un empilement de puits quantiques à base de matériaux AlGaInAs. Les épaisseurs et les compositions définissant l'empilement sont déterminées afin d'obtenir l'insensibilité à la polarisation et d'appliquer un décalage<br>spectral entre le modulateur et l'amplificateur. Ce dernier point optimise le gain d'insertion du composant intégré puisque la position spectrale du pic de gain est décalée dans la zone de modulation. L'analyse et l'interprétation des spectres en réflexion du modulateur amplifié démontrent l'intérêt de ce décalage spectral. Le comportement dynamique à haut débit montre des pénalités négligeables sur la puissance reçue en fonction de la longueur d'onde et de la température. Les résultats obtenus illustrent l'intérêt du composant pour les réseaux d'accès passifs mais aussi pour d'autres applications à plus haut débit.

Pour répondre à la demande d'un débit croissant du transport des informations par voie optique, le multiplexage en longueur d'onde (DWDM) prévoit le transport simultané d'information sur plusieurs longueurs d'ondes optiques dans une même fibre optique. Dans ce cadre, la mise au point de sources laser présentant un spectre d'émission étroit et stable, et pouvant intégrer plusieurs longueurs d'onde d'émission est requis. Deux principaux types de sources laser sont déjà en place sur le marché : les laser sur matériau semi-conducteur, ainsi que les lasers à base de fibre optique. Nous proposons la solution alternative de l'optique intégrée sur verre, qui semble un bon compromis, puisqu'elle permet à la fois une bonne stabilité et l'intégration de plusieurs composants sur une même puce. L'objectif de ce travail est alors la réalisation et la caractérisation de matrices de lasers DFB utilisant la technologie de l'optique intégrée sur verre. Les lasers réalisés présentent une puissance de sortie de 4,3 mW pour 220 mW de puissance de pompe injectée. La stabilité de l'intensité émise est caractérisée grâce à la mesure du bruit d'intensité relatif (RIN), dont la valeur est inférieure à –155 dB.Hz-1 après 4 MHz. La largeur de raie d'émission des lasers vaut 8 kHz, ce qui correspond à une longueur de cohérence de 10 km. Nous démontrons par ailleurs la réalisation d'une matrice de 18 lasers dont les fréquences d'émission couvrent une gamme spectrale de près de 1 terahertz. L'espacement entre les fréquences émises par les différents lasers de la matrice est de 25 ou 100 GHz, démontrant l'intérêt de ces matrices pour une utilisation dans le domaine des télécommunications optiques. Finalement, la remarquable finesse de la raie d'émission permet d'envisager d'autres types d'applications, allant des capteurs à la spectroscopie.

Depuis la fin de ma thèse, mes travaux de recherche se sont orientés vers la modélisation, la conception et la caractérisation de dispositifs passifs hyperfréquences accordables. L'accordabilité pouvant être envisagée aussi bien par du contrôle optique sur substrat silicium haute résistivité, que par des varactors intégrés ou reportés, ou bien encore par des capacités MIM ferromagnétiques. Ces activités sont à la fois liées au domaine de la modélisation électrique et électromagnétique de filtres et d'adaptateurs d'impédances accordables ainsi qu'au domaine des techniques de mesures sensibles hyperfréquences sur silicium. Je résumerai donc ces recherches qui s'appuient sur les travaux des doctorants et stagiaires que j'ai encadrés depuis une dizaine d'années.

Les réseaux de diffraction sont largement utilisés dans le traitement optique de l'information. Toutefois, les applications nécessitent des efficacités de diffraction importantes, d'excellentes résolutions dans le domaine des fréquences spatiales et des temps de réponses appropriés à la fonction recherchée (grande durée de vie pour les mémoires, temps de réponses rapide pour les opérations de traitements de l'information...). Ces qualités étant difficiles à obtenir à l'aide des matériaux existants, une solution consiste à placer le matériau non-linéaire à l'intérieur d'une cavité Fabry-Pérot, avec le double avantage d'obtenir une efficacité de diffraction fortement accrue et une résolution dans le domaine des fréquences spatiales améliorée. Le mémoire rapporte comment l'utilisation d'un milieu intracavité amplificateur permet d'accroître encore davantage la puissance du faisceau diffracté, avec des efficacités de diffraction largement supérieures à l'unité. Les propriétés diffractives des réseaux d'indice et/ou de gain insérés dans un résonateur de Fabry-Pérot amplificateur de longueur supérieure ou égale à l'épaisseur du réseau sont analysées théoriquement et expérimentalement. Un modèle analytique a été élaboré et a permis de montrer l'immense potentiel de tels dispositifs, en terme de sélectivité angulaire et d'efficacité de diffraction, cette dernière pouvant être très largement supérieure à l'unité. Un dispositif expérimental a ensuite été conçu afin de prouver la faisabilité du concept et de valider le modèle analytique. Le milieu non-linéaire intracavité est un cristal de Nd:YVO4. Le réseau est inscrit optiquement par absorption de la figure d'interférence de deux faisceaux d'écriture. La diffraction du signal de lecture est analysée autour de la double résonance de Bragg et de Fabry-Pérot, ainsi qu'à proximité de l'une ou de l'autre résonance séparément, afin de remonter aux propriétés diffractives du réseau. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les calculs numériques issus du modèle analytique. La comparaison avec le réseau de Bragg hors cavité montre l'amélioration significative apportée par la cavité amplificatrice: l'efficacité de diffraction est augmentée d'un facteur 5000 et la sélectivité angulaire d'un facteur proche de 20. Ces résultats sont très encourageants pour une application de ce type de dispositif au traitement optique de l'information, surtout dans le cas où une très forte sortance est nécessaire.

L'antagonisme entre la capacité d'émission d'informations haut débit (linéarité) et le rendement énergétique, dans le contexte des émetteurs radio, est l'axe des travaux de cette thèse. Nous proposons une architecture matérielle basé sur circuits FPGA1 pour l'implémentation de fonctionnalités de prédistorsion numérique (DPD) pour la linéarisation d'amplificateurs RF. Nous articulons nos approches à partir de la séparation entre les processus de prédistorsion et d'adaptation. Ainsi, nous pouvons proposer une structure matérielle -le BPC2 ou Cellule Basique de Predistorsion- bien adaptée pour l'implémentation du module de prédistorsion. Le module de prédistorsion basé sur BPC peut être reconfigurable au besoin, et, en plus, il reste indépendant de la méthodologie particulière de dérivation de la fonction de prédistorsion. Afin d'effectuer des validations, deux prototypes permettant de tester des stratégies de prédistorsion performantes et novatrices ont été mis en oeuvre. Dans un premier temps, nous avons implémenté un système DPD basé sur la théorie des systèmes hyperstables sur une plateforme mixte FPGA/DSP3. En complément des résultats expérimentaux, nous rentrons dans le détail des fonc- tions complémentaires à la prédistorsion et l'adaptation nécessaires pour produire la prédistorsion. Le deuxième prototype adresse la linéarisation et la compensation des e®ets mémoire de l'amplificateur RF. Nous présentons et validons expérimentalement une structure de prédistorsion du type NARMA4, implémentée au moyen d'un réseau de cellules BPC. Au passage, nous étudions la consommation de la prédistorsion et son impact sur le rendement. Si l'utilisation de la prédistorsion s'avére inévitable pour contrer les effets mémoire, nous proposons de dégrader la Classe de l'am- plificateur, dans le but d'obtenir un émetteur aussi linéaire mais plus performant énergétiquement. Finalement, au delà de la prédistorsion seule, nous proposons, analysons et va- lidons expérimentalement un sys tème de prédistorsion + commande dynamique de l'alimentation de l'amplificateur RF. La structure de traitement du signal numérique développée, permet de : 1/prédistordre le signal et 2/commander des modulateurs d'amplitude lents (par rapport à la largeur de bande de l'application cible, mais ayant de forts rendements de conversion). L'inclusion de capacités de pilotage de l'alimentation autour de la prédistorsion s'avère peu coûteuse et permet d'atteindre des rendements améliorés sans perte de linéarité.

Avec le nombre croissant de services accessibles par l'utilisateur sur un terminal mobile, les caractéristiques multi-standards et la reconfigurabilité des chaînes radio-fréquences amènent des contraintes de conception de plus en plus importantes sur les composants RF, en particulier sur les filtres. La solution que nous proposons dans ce travail consiste à répartir la fonction de filtrage sur l'ensemble de l'émetteur RF. Ainsi, tout en gardant sa fonctionnalité première, chaque composant (filtre, duplexeur, amplificateur, antenne...) apporte une fonction de filtrage supplémentaire et/ou complémentaire qui permet, une fois intégré dans l'ensemble de la chaîne, de répondre aux gabarits imposés par les différents standards. Ce mémoire présente une première étude sur ce sujet. Il met en évidence la faisabilité du concept de filtrage réparti, avec la présentation de quelques architectures multi-fonctions : amplificateur-filtrant, diviseur de puissance filtrant, antenne filtrante...

Ce mémoire présente des travaux portant sur les ondes aux statistiques extrêmes qui représentent un sujet extrêmement attractif en optique depuis qu'une comparaison avec les vagues scélérates océaniques a été proposée fin 2007. Nous décrivons donc les mécanismes de formations de ces structures extrêmes dans le cadre de la propagation guidée de la lumière dans les fibres optiques. Dans une première partie, nous commençons par explorer les ondes scélérates optiques dans les supercontinuums générés par instabilité modulationnelle d'ordre 4 et proposons une méthode de stabilisation basée sur l'utilisation de deux germes continus. Puis, nous continuons avec une étude approfondie sur les amplificateurs Raman à fibre où des conditions d'apparitions des structures géantes sont déterminées. En effet, en présence d'une pompe partiellement incohérente comme le laser Raman fibré, un gain quasi-instantané et un faible walk-off mènent à des statistiques extrêmes. Cela a pu être vérifié que le signal soit continu ou impulsionnel et dans le cadre d'un amplificateur paramétrique basé sur l'instabilité modulationnelle d'ordre 2 incohérente. Dans la dernière partie, un système turbulent est étudié en fonction de l'incohérence ce qui nous a permis d'identifier trois régimes avec, en particulier, le second où il existe des quasi-solitons intermittents. Enfin, nous nous intéressons à des structures non-linéaires appelées Breathers d'Akhmediev, qui présentent des cycles de compression-décompression, et portons notre attention sur leur limite asymptotique : le soliton de Peregrine. Ce dernier est vu comme un prototype très intéressant des vagues scélérates. Nos études expérimentales, menées aux longueurs d'ondes des communications optiques et utilisant différentes méthodes de caractérisations spectro-temporelles, sont complétées par des études numériques et analytiques.

Ces travaux de recherche concernent les amplificateurs RF de puissance pour stations de base. La technologie actuelle de transistor RF la plus compétitive, le LDMOS, est confrontée à l’augmentation constante du débit et à la concurrence d’autres technologies comme le HEMT GaN. Un autre challenge est l’intégration de l’adaptation de sortie réalisée en dehors du boîtier qui n’est plus compatible avec les futurs standards combinant jusqu’à soixante-quatre amplificateurs de puissance proches les uns des autres.Une première piste envisagée dans cette thèse est le substrat Si à haute résistivité. A partir de simulations puis de mesures sur plaques, l’amélioration du facteur de qualité des éléments passifs a été démontrée mais ces premières investigations ne permettent pas l’intégration de l’adaptation de sortie avec la technologie actuelle bien que les résultats soient très encourageants. Les challenges technologiques de ce nouveau substrat ont mené à considérer la structure différentielle pour les amplificateurs. En plus des avantages connus de cette configuration, nous avons montré que la conception d’un amplificateur de puissance différentiel montre une amélioration importante de la bande instantanée répondant au besoin d’un débit toujours plus élevé. Cette amélioration ne dégrade pas les autres performances en gain, rendement et puissance de sortie. Dans la continuité de cette thèse, les perspectives concernent la conception d’un amplificateur de puissance sur substrat SI à haute résistivité combinée à une structure différentielle qui pourrait permettre une avancée majeure sur toutes les performances tout en gardant l’avantage du faible coût du LDMOS Silicium en comparaison des autres substrats. / This research concerns the RF power amplifiers for base stations. The current most competitive technology of RF transistor, the LDMOS, faces the constantly increasing data rate and competition from other technologies such as GaN HEMT. Another challenge is the integration of the output matching made outside of the package which is not compatible with future standards combining up to sixty-four power amplifiers close to each other. A first track proposed in this thesis is the high resistivity Si substrate. From simulations and measurements on wafers, improved passive elements quality factor has been demonstrated but these initial investigations do not allow the integration of the output matching with the current technology, although the results are very encouraging. The technological challenges of this new substrate led to consider the differential structure for amplifiers. Besides to the known advantages of this configuration, we have shown that the design of a differential power amplifier shows a significant improvement in the instantaneous band width meeting the need for higher data rate. This improvement does not degrade other performance as gain, efficiency and output power. In continuation of this thesis, the perspective concerns the design of a power amplifier on a high resistivity Si substrate combined with a differential structure that could enable a major advance over all performance while keeping the advantage of low cost of LDMOS silicon compared to other substrates.